蝴蝶效应

也许你并不认识爱德华·诺顿·洛伦茨（Edward Norton Lorenz，1917—2008年），并不清楚这位美国气象学家对人类的影响，但只要提起蝴蝶效应或者混沌效应，你就一定明白了，原来是这位先生的杰作。没错，爱德华就是蝴蝶效应的提出者，他曾经说过一句很著名的话：“一只蝴蝶在巴西轻拍翅膀，可以导致一个月后得克萨斯州的一场龙卷风。”

爱德华是一个兴趣十分广泛的人，他喜欢越野、滑雪和徒步旅行，直到去世前一周，他还参加过一次徒步活动。尽管他给人的印象是严谨和注重细节，但事实上，他自己的办公室却是一个非常混乱的空间。他的学生就曾经在他的办公室里发现了一堆从未发表过的论文和研究报告。爱德华的朋友和学生形容他是个“安静的怪杰”“所见过最有组织的人”，他的同事评价他惜字如金，让他开口说话难如登天，但他们同时也都称赞他是个亲切且谦虚的人。

1917年的5月23日，爱德华出生在美国康涅狄格州的哈特福德。他在很小的时候就喜欢科学——这注定了他将来的道路。他说：“孩提时，我最有兴趣做的事就是关心天气的变化。”后来他考入了达特茅斯学院，于1938年毕业，随后又在两年后毕业于著名的哈佛大学，并且获得了数学专业的学位。

第二次世界大战期间，爱德华作为气象预报员，曾经在美国的陆军航空兵团服役。1943年，他获得了麻省理工学院的理科硕士学位。1948年，他进入了该学院任教，从事气象学领域的研究工作。

1963年，他获得了美国气象学会的迈辛格奖，就在这一年，他正式提出了“混沌理论”（Chaos Theory）。这被称作是“对基础科学产生了深远的影响，是继牛顿之后让人类对自然的看法发生了翻天覆地的变化”的伟大理论。

他发现“混沌理论”的过程也是颇具戏剧性效果的，甚至可以说是在混混沌沌中发现的。1961年冬季的一天，爱德华正在电脑上进行关于天气预报的计算，为了考察一个很长的序列，他走了一条捷径——没有令计算机从头运行，而是从中途开始。他把上次的输出直接打入作为计算的初值，然后他穿过大厅下楼去喝咖啡。当他一个小时后回来时，他发现发生了出乎意料的事情，天气变化与上一次的模式迅速地偏离了。

对第一次的计算机运算结果，打印只显示到小数点的后3位：0.506，而非完整的运算结果却显示到了小数点的后6位：0.506127。这个远小于千分之一的差异，造成了第二次的仿真结果和第一次的完全不同。就在短短的时间内，相似性完全消失了。这进一步的计算表明，输入的细微差异，可能会很快成为输出的巨大差别。

于是，爱德华从这个惊人的结果中发现，准确地预测天气只是人类的幻想，他也进而揭示出，混沌现象具有不可预言性和对初始条件的极端敏感依赖性这两个基本特点。爱德华最初使用了“海鸥效应”这个词来形容这种现象，不过这并不是一个完全新颖的比喻，因为爱伦·坡曾经声称，人们挥着手可能就会影响大气条件。尽管如此，爱德华却是第一次对此理论进行系统思考并且形成新的理论的人。

1967年，他出版了《大气环流的性质和理论》一书。在本书中，爱德华精辟地阐述了大气环流研究工作的历史发展、现状和展望。1969年，他荣获美国气象学会的罗斯比研究奖章，并在1972年正式提出了“蝴蝶效应”（Butterfly Effect），次年，他便由此获得了西蒙斯纪念金奖，并以巨大的成就在1975年入选为美国国家科学院院士。

1983年，爱德华再次登上奖台，获得了瑞典皇家科学院颁发的克雷福德奖（Crafoord Prizes）。这一奖项主要授予研究领域中的，不在诺贝尔奖授奖范围内却有突出成就的科学家。他于1987年退休，1991年获得了地球和星体学方面的基础科学“京都奖”（Kyoto Prize），这是他一生中的最高荣誉，因为评委会称他的混沌理论是“继牛顿之后，为人类自然观带来了最为戏剧性的改变”。2008年4月16日，爱德华因为癌症，在马萨诸塞州的家中去世，享年90岁。他的妻子简死于2001年，两个人留有一子两女。

在他的一生中，爱德华还著有《动力学方程的最大简化》《振荡力学》《大气环流的低阶模式》和《用大的数值模式进行大气可预测性试验》等著作，但没有一样比得上混沌理论和蝴蝶效应对人类生活产生的影响。

在他的“决定性混沌”（Deterministic Chaos）理论中，爱德华认为：人类本身都是非线性的，与传统的想法相反，健康人的脑电图和心脏跳动并不是规则的，而是混沌的。混沌正是生命力的表现，混沌系统对外界的刺激反应，比非混沌系统要快得多。

科学家对混沌理论的评价很高，认为“混沌学是物理学发生的第三次革命”，它与相对论、量子力学同被列为20世纪的最伟大发现之一。量子力学质疑微观世界的物理因果律，而混沌理论则紧接着否定了包括宏观世界拉普拉斯﹙Laplace﹚式的决定型因果律。这一理论已经被广泛地应用于各个领域，如商业周期研究、动物种群动力学、流体运动、行星运转轨道、半导体电流、医学预测（如癫痫发作）以及军事等。

爱德华的“蝴蝶效应”则是指明了一种客观存在的事实：在一个动力系统中，初始条件下微小的变化能带动整个系统的长期而巨大的连锁反应。这是一种混沌现象，我们在前文提到过：“一只蝴蝶在巴西轻拍翅膀，会使更多蝴蝶跟着一起振翅。最后将有数千只的蝴蝶都跟着那只蝴蝶一同挥动翅膀，其所产生的飓风可以导致一个月后在美国得州发生一场龙卷风。”

洛伦茨最初使用的是“海鸥效应”来形容这种现象。1979年，在华盛顿的美国科学促进会的演讲上，他却问道：“一只蝴蝶在巴西扇动翅膀会在得克萨斯州引起龙卷风吗？”于是，“蝴蝶效应”因此得名。

这个理论比喻长时期大范围天气预报往往会因一点点微小的因素造成难以预测的严重后果，也正是因为微小的偏差是难以避免的，从而就使天气预报长期具有不可预测性或者不准确性。然而，广义的蝴蝶效应已经不仅仅限于天气预报，而是一切复杂系统对初值极为敏感性的代名词或同义语，其含义是：对于一切复杂系统，在一定的“阈值条件”下，其长时间大范围的未来行为，对初始条件数值的微小变动或偏差极为敏感，即初值稍有变动或偏差，将导致未来前景的巨大差异，这往往是难以预测的或者说带有一定的随机性的。

无论是科学领域还是社会生活，宏观的还是微观的、一切可视的和不可视的社会现象，蝴蝶效应都无处不在地发挥着巨大的威力。